旅客列車(chē)真空集便器系統(tǒng)污物箱設(shè)計(jì)與試驗(yàn)技術(shù)研究

閆凱，邱慧 ，曾鳳柳

(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院節(jié)能環(huán)保勞衛(wèi)研究所，北京 100081)

真空集便器根據(jù)真空發(fā)生機(jī)理和形式，分為保持式、緊湊式、間歇式和在線式四種類(lèi)型［1～4］。各種類(lèi)型集便器均由便器組件(含沖洗組件和排泄閥組件等)真空發(fā)生裝置、水增壓裝置、污物箱及連接安裝附件等組成。其中污物箱主要作用是在列車(chē)運(yùn)行期間收集和暫存糞便污水。其安裝數(shù)量、安裝位置和安裝方式根據(jù)車(chē)輛車(chē)型有所不同，但總的原則是安裝于衛(wèi)生間就近位置，通過(guò)吊梁或吊耳等形式，懸掛于車(chē)底。除部分車(chē)型車(chē)底設(shè)計(jì)有污物箱防護(hù)罩外，大多數(shù)污物箱直接裸露在車(chē)底。列車(chē)高速運(yùn)行時(shí)，污物箱隨車(chē)體產(chǎn)生劇烈振動(dòng)，因此，必須確保污物箱可靠，避免影響列車(chē)安全運(yùn)行［5］。

因此對(duì)污物箱的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)檢驗(yàn)十分重要，包括容積計(jì)算、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、強(qiáng)度校核、模態(tài)分析、加熱保溫設(shè)計(jì)等各個(gè)環(huán)節(jié)。

1 容積計(jì)算

污物箱作用是列車(chē)在運(yùn)行期間衛(wèi)生間便器內(nèi)污物的收集和儲(chǔ)存，正常情況下，僅在列車(chē)?？恐付ㄐ段鄣攸c(diǎn)時(shí)卸污排空。因此，污物箱必須滿足列車(chē)在運(yùn)行期間的使用，其容積需考慮運(yùn)行期間使用人次數(shù)、單次使用產(chǎn)生污水量和列車(chē)運(yùn)行時(shí)間等因素。

污物箱容積估算有兩種方法:第一是按照車(chē)廂定員(污物箱所連接集便器服務(wù)乘客數(shù)量)估算，以車(chē)廂乘客每人使用1次廁所的頻率和考慮超員系數(shù)的車(chē)廂定員為基數(shù)進(jìn)行估算;第二是按照污物箱所連接集便器最大使用量估算。以每個(gè)污物箱上連接有n個(gè)便器，每個(gè)便器每小時(shí)內(nèi)最大使用頻次為基數(shù)進(jìn)行估算。

污物箱容積還應(yīng)考慮車(chē)輛安裝條件，車(chē)端下部牽引梁、腳蹬圍板與轉(zhuǎn)向架占用的空間直接影響到污物箱的加裝，應(yīng)保證轉(zhuǎn)向架與污物箱間有合理的空間，不會(huì)發(fā)生碰撞。

綜合考慮多種因素，污物箱容積可按照系列值:130、200、400、550、600、800、1000 L，根據(jù)車(chē)型和運(yùn)行距離等從中選取，之后進(jìn)行污物箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

污物箱外觀一般為長(zhǎng)方形箱體，結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。其主要組成部分為:箱體內(nèi)膽1、保溫層2、外層包板3、清洗閥組件4、通氣閥5、卸污閥組件6、接線箱7、液位開(kāi)關(guān)8、污物箱檢查口9、電加熱檢查口10、溫控器11、電加熱管12。

內(nèi)箱體為不銹鋼板焊接的長(zhǎng)方體。設(shè)置與車(chē)輛車(chē)體相配的吊耳或吊梁等懸掛安裝裝置，用于污物箱的固定。為提高箱體強(qiáng)度，內(nèi)箱體外設(shè)置多根加強(qiáng)筋或加強(qiáng)角鋼。

外箱體用不銹鋼板包裹，對(duì)保溫材料進(jìn)行封裝，同時(shí)起到保護(hù)和裝飾作用。

污物箱附件包括排污管、沖洗管、排氣管、清淤管、檢查口等連接管件，以及浮球液位開(kāi)關(guān)、電 加熱裝置等。

圖1 污物箱示意圖

3 強(qiáng)度、模態(tài)設(shè)計(jì)與校核

由于污物箱特殊的安裝位置和安裝方式，尤其是在列車(chē)高速運(yùn)行時(shí)車(chē)體晃動(dòng)與振動(dòng)，對(duì)污物箱的強(qiáng)度和振型模態(tài)有較高要求。污物箱的強(qiáng)度應(yīng)滿足UIC 566的要求和承受的工作壓力要求。對(duì)每種類(lèi)型污物箱，容積、結(jié)構(gòu)、材料發(fā)生改變，必須進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算和模態(tài)分析。

3.1 設(shè)計(jì)計(jì)算說(shuō)明

整個(gè)污物箱的制作材料均采用不銹鋼。就工作載荷來(lái)說(shuō)，最大應(yīng)力應(yīng)小于許用應(yīng)力，而對(duì)于極端載荷來(lái)說(shuō)，最大應(yīng)力則應(yīng)小于屈服點(diǎn)應(yīng)力。

焊接污物箱內(nèi)膽用不銹鋼板制作，由縱向和橫向L形及U形腹板予以加強(qiáng)。各連接處均采用焊接方式，焊接工藝根據(jù)焊接母材特性、尺寸特性、連接位置等進(jìn)行特殊工藝設(shè)計(jì)，保證污物箱結(jié)構(gòu)加工質(zhì)量。對(duì)主要結(jié)構(gòu)件和承載件均計(jì)算校核，而對(duì)污物箱安裝附件可以采用局部集中載荷加以模擬。

3.2 計(jì)算模型

建立污物箱有限元模型時(shí)，對(duì)污物箱整體剛度及局部強(qiáng)度有影響的結(jié)構(gòu)都予以考慮。模型構(gòu)成以任意四節(jié)點(diǎn)薄殼單元為主，與梁?jiǎn)卧?、板單元相比，殼單元由于結(jié)合考慮了結(jié)構(gòu)單元中間面上的平面剛度、彎曲剛度及曲率效應(yīng)，因此，其具有更高的計(jì)算精度。箱體外部的排空裝置和球閥裝置對(duì)箱體的影響采用集中載荷予以模擬。污物箱強(qiáng)度校核與模態(tài)分析模型如圖2所示。

圖2 污物箱強(qiáng)度校核與模態(tài)分析模型

3.3 載荷分析

污物箱所承受的載荷主要有:

Z1:鋼結(jié)構(gòu)自重和集中載荷，難以忽略附屬件按集中載荷加載在對(duì)應(yīng)位置。

Z2:靜水壓力，不同液位情況下按靜水壓力加載于鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)膽。

Z3/Z4:縱向沖擊壓力1，縱向水平方向符合5 g作用荷載，正反兩個(gè)方向。

Z5/Z6:橫向沖擊壓力1，橫向水平方向符合3 g作用荷載，正反兩個(gè)方向。

Z7:垂向沖擊壓力，垂直向下方向符合3 g作用荷載。

對(duì)于保持式真空集便器，系統(tǒng)工作時(shí)，箱體內(nèi)始終保持一定真空度，因此需考慮箱體內(nèi)部真空壓力。

Z8:箱體內(nèi)部真空壓力。

在實(shí)際工況下，污物箱又是在多種載荷共同作用，校核分析時(shí)應(yīng)盡量模擬實(shí)際工況，把上述的工作載荷組合，示例如下:

K1=Z1+Z2+Z3+Z8——滿載時(shí)縱向5 g沖擊載荷(+Y方向)，考慮鋼結(jié)構(gòu)自重;

K2=Z1+Z2+Z4——滿載時(shí)縱向5 g沖擊載荷(－Y方向)，考慮鋼結(jié)構(gòu)自重。

3.4 計(jì)算結(jié)果與分析

通過(guò)靜結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析，可以得出各種載荷單獨(dú)作用或復(fù)合作用下，污物箱結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中點(diǎn)、最大等效應(yīng)力、最大變形處等重要參數(shù)信息，對(duì)安裝吊梁或吊耳、支撐結(jié)構(gòu)焊接處、蓋板連接處等重要部位和主要承載部位應(yīng)進(jìn)行重點(diǎn)分析，依此確定結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否滿足要求，母材及焊接部位是否在許用應(yīng)力范圍內(nèi)，安裝吊梁或吊耳結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是否滿足設(shè)計(jì)要求。圖3、圖4為K1載荷作用下箱體應(yīng)力云圖和箱體變形圖示例。

圖3 K1載荷作用箱體應(yīng)力云圖

圖4 K1載荷作用箱體變形圖

污物箱進(jìn)行模態(tài)分析，得出其各階振型和模態(tài)、固有頻率等振動(dòng)特性，對(duì)裝有不同容量(空箱、半箱、滿箱)液體的污物箱進(jìn)行耦合模態(tài)分析，得出箱內(nèi)液體液面晃動(dòng)情況、對(duì)污物箱固有頻率的影響等信息，依此判斷污物箱的自振頻率是否與車(chē)輛運(yùn)行過(guò)程中的振動(dòng)激振頻率相近。

3.5 污物箱振動(dòng)與沖擊試驗(yàn)研究

按照GB/T 21563—2008《軌道交通機(jī)車(chē)車(chē)輛設(shè)備沖擊和振動(dòng)試驗(yàn)》中第8、9和10項(xiàng)試驗(yàn)要求對(duì)污物箱進(jìn)行功能性隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)、提高隨機(jī)振動(dòng)量級(jí)的模擬長(zhǎng)壽命試驗(yàn)和沖擊試驗(yàn)。在試驗(yàn)過(guò)程中及試驗(yàn)結(jié)束后檢查污物箱外觀結(jié)構(gòu)及必要的性能參數(shù)，均應(yīng)符合要求。

振動(dòng)及沖擊方向如圖5所示:縱向?yàn)橹饕晥D方向;垂向?yàn)楦┮晥D方向;橫向?yàn)樽笥乙晥D方向。

圖5 振動(dòng)及沖擊方向示意圖

4 污物箱加熱保溫性能研究

4.1 使用工況分析與加熱保溫功能設(shè)計(jì)

污物箱通過(guò)吊梁或吊鉤懸掛于車(chē)輛車(chē)底，部分車(chē)型安裝防護(hù)罩對(duì)污物箱進(jìn)行防護(hù)，但污物箱基本全部裸露在大氣環(huán)境下，對(duì)于在寒冷地區(qū)或寒冷季節(jié)中運(yùn)行的車(chē)輛，必須對(duì)污物箱采取加熱、保溫措施，避免箱內(nèi)及其它裸露處結(jié)冰，保證集便器系統(tǒng)正常使用以及正常排空。

因此，選用電加熱管等加熱裝置對(duì)污物箱進(jìn)行加熱，同時(shí)對(duì)污物箱進(jìn)行保溫隔熱，提高加熱效率，減少熱量損失。電加熱裝置的選用、設(shè)計(jì)與安裝，均應(yīng)符合車(chē)輛供電條件，同時(shí)不影響其它電氣設(shè)備或裝置的正常使用。

車(chē)輛在室外整備、存放一定時(shí)間后，污物箱內(nèi)外溫度基本等同大氣環(huán)境溫度，再次上線運(yùn)行前，必須在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)滿足使用要求。因此，污物箱電加熱裝置應(yīng)在較短的時(shí)間內(nèi)將污物箱加熱到可工作狀態(tài)。由于衛(wèi)生間便器污物進(jìn)入污物箱后溫度不低于0℃，因此，按照寒冷地區(qū)環(huán)境溫度－40℃惡劣工況考慮，空箱狀態(tài)下污物箱初始加熱需滿足在短時(shí)間內(nèi)(30 min)由環(huán)境溫度加熱至0℃。

在列車(chē)運(yùn)行過(guò)程中，為了維持污物箱不凍，污物箱內(nèi)液體溫度高于0℃即可，考慮到箱體內(nèi)液體溫度與溫度探頭測(cè)得溫度之間差異，故設(shè)置為3℃。電加熱裝置產(chǎn)生的熱量應(yīng)能彌補(bǔ)污物箱內(nèi)不斷增加的污物所吸收的熱量和污物箱熱量損失。因此，還需要校核維持污物箱內(nèi)液體溫度所需電加熱功率。

4.2 加熱保溫設(shè)計(jì)計(jì)算

污物箱應(yīng)同時(shí)采取加熱、保溫措施，通過(guò)合理選用電加熱元器件和保溫材料、設(shè)計(jì)計(jì)算電加熱功率、保溫層厚度等技術(shù)參數(shù)，確保污物箱滿足使用要求。

對(duì)污物箱進(jìn)行能量守恒分析，熱量來(lái)源于電加熱裝置加熱，污物箱結(jié)構(gòu)及箱內(nèi)液體吸收大部分熱量，污物箱外包板熱量吸收及散熱損失可忽略不計(jì)，熱量損失則主要通過(guò)保溫層散熱損失。

計(jì)算需確定所選用電加熱裝置額定功率下發(fā)熱熱量和保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)，以及箱體材料、箱內(nèi)液體的比熱等技術(shù)參數(shù)。

有關(guān)加熱功率在理想狀態(tài)下的計(jì)算公式如下:

系統(tǒng)起動(dòng)時(shí)所需要的功率:

式中:P為功率(kW);m1為介質(zhì)重量(kg);C1為介質(zhì)比熱(kJ/kg·K);m2為容器重量(kg);C2為介質(zhì)比熱:kJ/kg·K;△T為介質(zhì)和環(huán)境溫度之差或溫升:℃;t為加熱時(shí)間(h);Q為散熱量:管道為W/m，平面為W/m2。

系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)所需要的功率:

式中:m3為每小時(shí)增加的介質(zhì)重量或流量(kg/h);t為加熱保持時(shí)間(h)。

保溫層散熱量:

式中:△T為介質(zhì)和環(huán)境溫度之差或溫升(℃);λ為保溫材料的導(dǎo)熱數(shù)(W/m2);δ為保溫材料厚度(m);S系統(tǒng)的散熱面積:m2。

經(jīng)估算，所設(shè)計(jì)550 L污物箱選用3個(gè)電加熱管進(jìn)行加熱，覆蓋巖棉保溫材料進(jìn)行保溫，可滿足要求。

4.3 加熱保溫性能試驗(yàn)研究

對(duì)不同類(lèi)型的污物箱，尤其是當(dāng)污物箱容積、結(jié)構(gòu)、電加熱裝置功率等發(fā)生較大變化時(shí)，應(yīng)進(jìn)行加熱保溫性能型式試驗(yàn)或試驗(yàn)檢測(cè)。包括電加熱裝置加熱性能測(cè)試、保溫性能測(cè)試和加熱保溫?zé)崞胶鉁y(cè)試。

4.3.1 加熱性能測(cè)試

在(－40±2)℃試驗(yàn)環(huán)境測(cè)試加熱性能，污物箱空箱狀態(tài)和滿箱狀態(tài)兩種工況，在試驗(yàn)環(huán)境溫度下，接通污物箱電加熱裝置，檢測(cè)空箱內(nèi)中心點(diǎn)空氣溫度或中心點(diǎn)液體溫度從(3±0.5)℃至(8±0.5)℃所用時(shí)間，應(yīng)符合設(shè)計(jì)要求。

4.3.2 保溫測(cè)試

在(－40±2)℃試驗(yàn)環(huán)境進(jìn)行保溫測(cè)試，污物箱空箱狀態(tài)和滿箱狀態(tài)兩種工況，在試驗(yàn)環(huán)境溫度下，當(dāng)空箱內(nèi)中心點(diǎn)溫度為(8±0.5)℃時(shí)，切斷污物箱電加熱，檢測(cè)污物箱內(nèi)中心點(diǎn)空氣溫度或中心點(diǎn)液體溫度下降至(3±0.5)℃的保溫時(shí)間，應(yīng)符合設(shè)計(jì)要求。

4.3.3 加熱保溫?zé)崞胶鉁y(cè)試

在(－40±2)℃試驗(yàn)環(huán)境進(jìn)行加熱保溫?zé)崞胶鉁y(cè)試，污物箱滿箱狀態(tài)工況，在試驗(yàn)環(huán)境溫度下，當(dāng)空箱內(nèi)中心點(diǎn)溫度為(8±0.5)℃開(kāi)始計(jì)時(shí)，保持污物箱電加熱裝置自動(dòng)工作狀態(tài)，記錄到電加熱裝置再次啟動(dòng)加熱所用時(shí)間，應(yīng)符合設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)論與建議

由于污物箱特殊的安裝位置、安裝方式和環(huán)境要求，列車(chē)高速運(yùn)行時(shí)，污物箱隨車(chē)體產(chǎn)生劇烈振動(dòng)，必須確保列車(chē)運(yùn)行安全、污物箱安裝可靠。因此對(duì)污物箱的設(shè)計(jì)分析十分重要，包括容積計(jì)算、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、強(qiáng)度校核、模態(tài)分析、加熱保溫設(shè)計(jì)等各個(gè)環(huán)節(jié)，并進(jìn)行必要的試驗(yàn)檢測(cè)，確保污物箱功能、性能正常，安全可靠。

考慮污物箱設(shè)計(jì)、生產(chǎn)成本，便于產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化與質(zhì)量控制，建議污物箱容積、結(jié)構(gòu)等盡可能標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、模塊化。

［1］任大慶．鐵路客車(chē)真空式集便系統(tǒng)淺析［J］．鐵道車(chē)輛，2001(2):23－25．

［2］于志光，孫維余．鐵路客車(chē)真空集便器［M］．北京:中國(guó)鐵道出版社，2008:1－3．

［3］邱慧，閆凱，曾鳳柳，等．TKH-VWC型保持式真空集便系統(tǒng)研制及關(guān)鍵技術(shù)研究［J］．鐵路節(jié)能環(huán)保與安全衛(wèi)生，2012，2(3):112 －116．

［4］婁玉飛．鐵路客車(chē)廁所技術(shù)發(fā)展淺談［J］．鐵道車(chē)輛，2005(8):33－35．

［5］李豐，孫彥，劉興龍．鐵道車(chē)輛污物箱及安裝吊座強(qiáng)度與模態(tài)分析［J］．中國(guó)鐵路，2012(2):45 －48．